《傳感器及檢測技術》配套PPT課件

《傳感器及檢測技術》配套PPT課件,傳感器及檢測技術,傳感器,檢測,技術,配套,PPT,課件 《傳感器與檢測技術》課程標準 一、教學對象 適用于電氣自動化技術專業(yè)學生 二、建議課時及學分 建議學時：52 學分：3.5 三、先修和后續(xù)課程 先修課程：《電工基礎》《電子電路設計與制作》 后續(xù)課程：《電氣控制與PLC技術》《單片機及應用》 四、課程性質(zhì) 《傳感器與檢測技術》是電氣自動化技術專業(yè)的一門專業(yè)支撐課程。本課程旨在培養(yǎng)學生使用各類傳感器的技巧和能力，常用傳感器的工程測量設計能力和實驗研究能力。本課程是電氣自動化技術的專業(yè)必修課。 五、教學目標 1．測量誤差與數(shù)據(jù)處理能力。 通過對多次測量數(shù)據(jù)的篩選，能夠?qū)鞲衅鞑杉瘮?shù)據(jù)進行誤差計算及隨機誤差、粗大誤差的剔除。 2. 傳感器的電路繪制能力 通過對不同傳感器的使用情況分析，能夠繪制多種傳感器的應用電路圖。 3. 傳感器的基本參數(shù)的檢測能力。 針對不同傳感器的不同標識和使用領域劃分，能夠根據(jù)型號及相應參數(shù)識別傳感器類型，并對不同參數(shù)進行檢測。 六、能力要求 1、傳感器的識別能力 能夠根據(jù)型號和傳感器的名稱在20分鐘內(nèi)能夠區(qū)分不同傳感器的類型，20分鐘內(nèi)辨別傳感器的工作原理、檢測目標。 2、傳感器的檢測能力 能夠在45分鐘內(nèi)使用常用檢測儀器儀表對傳感器進行好壞、參數(shù)等的測定。 3、傳感器的電路調(diào)試能力 能夠在30分鐘內(nèi)繪制出完整的傳感器應用電路圖，能夠在60分鐘內(nèi)將電路連接完成并進行調(diào)試。 七、教學要求 1、以學生能力培養(yǎng)為主體，簡化理論知識講授。 2、以項目為載體，任務驅(qū)動。 3、實施理實一體化教學。 4、在多媒體教室、電子技能實訓室使用RDUINO電路板和傳感器模塊完成教學。 八、教學考核 采用項目考核為主的過程考核方式，每個項目按百分制計算，其中專業(yè)能力水平考核占80%，職業(yè)素養(yǎng)評價占20%。具體如下： （1）專業(yè)能力水平考核 項目分析占10%，方案設計占20%，方案實施占40%，項目答辯占10%。 （2）職業(yè)素養(yǎng)評價 主要考核學生的紀律意識、6S意識、團隊協(xié)作、溝通協(xié)調(diào)能力等。 九、教學評價 以實例貫穿課堂教學，引發(fā)學生思維、討論，促進師生互動，活躍課堂氣氛。利用多媒體輔助教學，使學生融入當時的情境，為學習知識做好鋪墊，但不能用多媒體字幕代替板書 十、教學組織 該課程教學在班級授課制的基礎上采用個別教學和小組教學相結(jié)合的形式進行。 緒論 教學目的： 1. 了解檢測技術與傳感器的作用和地位。 2.了解檢測系統(tǒng)的組成及各組成部分的作用。 3.了解檢測技術與傳感器的發(fā)展方向。 4.了解本課程的內(nèi)容、任務和學習方法。 課 型：新授課 課 時： 安排2個課時。 教學重點： 認識檢測技術與傳感器的作用和地位；以及檢測系統(tǒng)的組成（被測對象、傳感器、測量電路、輸出單元、電源），以及這四部分的各項作用；檢測技術與傳感器的五個方面的發(fā)展趨勢。 教學難點： 傳感器的重要性及其地位；可以描述出檢測系統(tǒng)的組成，及各組成部分的作用；可以舉例說明日常生活中見到的、用過的傳感器，它們檢測的各是什么非電量；檢測技術和傳感器的發(fā)展趨勢。 教學過程： 1. 教學形式：講授課，教學組織采用課堂整體講授和分組演示。 2. 教學媒體：采用啟發(fā)式教學、案例教學等教學方法。教學手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術。 作業(yè)處理： 完成項目后的思考題。 板書設計： 本課標題 緒論 課次 1 授課方式 理論課□ 討論課□ 習題課□ 其他□ 課時安排 2 學分 共2分 授課對象 院系、專業(yè)： 任課教師 教學基本內(nèi)容 教學方法及教學手段 課堂導入 伴隨著科技的進步，我們的生活發(fā)生了翻天覆地的變化，各種高科技產(chǎn)品層出不窮，智能化的產(chǎn)品已經(jīng)遍布國民經(jīng)濟的各個領域，但是對于一般沒有涉及過科技領域的人們是無法理解那些智能化產(chǎn)品的工作原理的，生活中經(jīng)常聽人們說到某某產(chǎn)品真的太神奇了，其實所謂的神奇就好比一層紙，捅破了就能一目了然，比如我們常見的倒車雷達，其對司機的輔助作用是很大的，能準確測量出障礙物的距離，但是你知道這種測量距離的具體原理嗎？當然，除了倒車雷達外，還有不勝枚舉的例子，比如自動門、自動洗衣機、恒溫熱水器等一些我們常見的產(chǎn)品以及一些軍工上的我們不常見的產(chǎn)品，它們都能不同程度地實現(xiàn)智能化，但是具體是如何實現(xiàn)的呢？那么其中一個關鍵的環(huán)節(jié)就是檢測技術，檢測技術是一門學科，我們首先來學習檢測技術的基本概念和測量誤差方面的基本知識 參考以下形式： 1.銜接導入 2.懸念導入 3.情景導入 4.激疑導入 5.演示導入 6.實例導入 7.其他形式 基本知識匯總 一、 檢測技術與傳感器的作用和地位 （1）在工業(yè)生產(chǎn)中，采用各種檢測技術與傳感器對生產(chǎn)全過程進行檢查、監(jiān)測，它是確保安全生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品合格率、降低能耗和原材料消耗、提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效應的重要手段。 （2）在各種現(xiàn)代裝備系統(tǒng)中，檢測技術與傳感器是其安全經(jīng)濟運行的重要保證，是其先進性和實用性的重要標志。檢測系統(tǒng)的成本一般已達到所在裝備系統(tǒng)總成本的50%～70%，甚至更高。 （3）在自動控制系統(tǒng)中，傳感器是不可缺少的組成部分。要實現(xiàn)自動化，只有通過傳感器精確檢測出被控對象的參數(shù)并轉(zhuǎn)換成易于處理的信號，控制系統(tǒng)才能正常地工作。 二、 檢測系統(tǒng)簡介 （一）　檢測系統(tǒng)的組成 被測對象、傳感器、測量電路、電源、輸出單元 （二）檢測系統(tǒng)的組成及功能 檢測系統(tǒng)由傳感器、測量電路、輸出單元及電源等組成。它們分別完成信息的獲取、轉(zhuǎn)換、顯示和處理等功能。 （1）　傳感器 傳感器是一種以一定的精確度把被測量對象轉(zhuǎn)換為另一種與之有確定對應關系，并且便于測量的量的裝置。 （2）　測量電路 測量電路是將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓或電流信號的電路。通常傳感器輸出信號是很微弱的，需經(jīng)測量電路放大、處理后才能顯示、記錄。不同的傳感器所要求的測量電路是不同的。 （3）　輸出單元 輸出單元包括顯示、打印、記錄裝置、數(shù)據(jù)通信接口和控制執(zhí)行器裝置等。它使人們能了解檢測數(shù)值的大小和變化，并能完成控制和保護操作等功能。 1．本課程是機電一體化、自動控制、電氣自動化、應用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學生能認識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差補償，理解各種測量轉(zhuǎn)換電路，了解傳感器的典型應用等知識，達到能正確使用常用傳感器的目的。 2．檢測技術的主要內(nèi)容包括了自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理。需要一定的測量理論、測量方法，相應的測量工具、裝置，以及對測量結(jié)果進行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術、誤差理論、測試計量技術、抗干擾技術以及電量間的互相轉(zhuǎn)換技術等。 3．本課程教學內(nèi)容的組織與安排：　由實例引入，按照“任務提出”“相關知識”“任務實施”“其他案例”“訓練一下”幾個部分遞進完成。采用任務引領的項目課程教學，將檢測技術與傳感器的技能和知識點融入項目的工作任務之中，在符合工作過程的基礎上，充分考慮了學習者的認知心理過程，將課程內(nèi)容劃分為九個項目，再具化為多個工作任務的教學內(nèi)容。從檢測的對象著手，選擇合適的傳感器，通過認識該類傳感器的外形、性能指標，再到測量原理的介紹，在掌握基本知識的基礎上，介紹相應的測量轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路，來完成該類檢測任務。再安排一個訓練，供學習者在實踐中掌握知識、提高技能。 三、 檢測技術與傳感器的發(fā)展趨勢 隨著時代的發(fā)展和現(xiàn)代化步伐的加快，人們對檢測技術與傳感器的要求越來越高。而科學技術，特別是微機電技術、大規(guī)模集成電路技術、新材料技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術等的不斷進步，大大促進了檢測技術與傳感器的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾方面：　 （一）　不斷提高傳感器檢測水平 1、 發(fā)現(xiàn)新效應 傳感器的工作原理是基于各種物理、化學和生物的現(xiàn)象和效應，探索新現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)新效應是傳感器發(fā)展的一項重要工作，是研制新型傳感器的重要基礎。它為提高傳感器的性能、擴大傳感器的檢測極限和拓展傳感器的應用領域提供了新的可能。 2、 開發(fā)新材料 傳感器材料是傳感器發(fā)展的重要基礎。隨著物理學和材料學的發(fā)展，人們可以根據(jù)所需材料功能的要求來控制材料的成分，制造出各種新型傳感器的功能材料。 3、 采用新技術新工藝 將硅集成電路技術加以移植并發(fā)展，形成傳感器的微細加工技術。這種技術能將電路尺寸加工到光波長數(shù)量級，形成低成本超小型傳感器的批量生產(chǎn)，可極大地提高傳感器的性能指標，實現(xiàn)傳感器的微型化。 4、 傳感器的集成化 利用集成加工技術，將敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路、測量電路、補償電路等制作在同一芯片上，使傳感器具有高可靠性、高穩(wěn)定性、體積小、成本低、電路設計簡單、安裝調(diào)試方便等優(yōu)點。 5、傳感器的智能化 將傳感器與微處理器集成在同一芯片上，使它不僅具有信號檢測與轉(zhuǎn)換的功能，而且還具有記憶、存儲、處理、自診斷、自校正和自適應等功能，實現(xiàn)傳感器的智能化。 6、 仿生傳感器 仿生傳感器是模仿人的感覺器官的傳感器。至今真正能代替人的感覺器官功能的傳感器還極少，在當今機器人技術向智能化高級機器人發(fā)展的時代，需要加速研究，加快機器人發(fā)展的步伐。 （二）　不斷拓展測量范圍，提高檢測精度和可靠性 隨著科學技術的不斷發(fā)展，對檢測系統(tǒng)的性能要求，特別是精度、測量范圍和可靠性指標的要求越來越高。如測高溫，盡管目前已能研制和生產(chǎn)最高上限超過2800℃的熱電偶，但測溫范圍一旦超過2500℃，其準確度將下降，而且極易氧化，嚴重影響測量的可靠性和使用壽命。因此，尋找能可靠測量高溫的新材料、新方法，研制出相應的測溫傳感器是亟待解決的一個課題。事實上，目前在超高溫檢測、超低溫檢測、超高壓檢測、高溫高壓下物質(zhì)成分檢測、分子量檢測、高精度檢測、大噸位重量檢測、微差壓檢測、脈動流量檢測、混相流量檢測等方面，都存在需要攻克的難題。 （三）　推進新的檢測方法：　發(fā)展非接觸法檢測技術 在檢測過程中，把傳感器置于被測對象上，可靈敏地感知被測量對象的變化，這種接觸式檢測方法直接、可靠，測量精度較高，但在某些情況下，傳感器的裝入會影響測量精度或根本不能裝入傳感器，這就要用非接觸式檢測。目前，已有光電傳感器、電渦流傳感器、超聲波傳感器、核輻射傳感器等非接觸式傳感器得到了廣泛的應用，今后將更快地發(fā)展非接觸法檢測技術，并改進和克服非接觸法檢測易受外界干擾及檢測絕對精度較低等問題。 （四）　實現(xiàn)檢測系統(tǒng)智能化 隨著集成電路技術的快速發(fā)展，微處理器等電路的成本和價格不斷下降，集成度和功能不斷提高，為檢測系統(tǒng)的智能化創(chuàng)造了有利的條件。智能化檢測系統(tǒng)以計算機為中心，進行電量、非電量的多種測量；多輸入通道的多點測量；在線動態(tài)實時測量；信號的分析處理、排除噪聲干擾、消除偶然誤差、修正系統(tǒng)誤差等，以實現(xiàn)測量結(jié)果的高準確度和對被測信號的高分辨率。 （五）　實現(xiàn)無線網(wǎng)絡化 以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計算機網(wǎng)絡技術是20世紀計算機科學的一項偉大成果，它給人們的生活帶來了深刻的變化，然而網(wǎng)絡功能再強大，網(wǎng)絡世界再豐富，也終究是虛擬的，與人們所生活的現(xiàn)實世界還是相隔的，在網(wǎng)絡世界中，很難感知現(xiàn)實世界，很多事情還是不可能的。 討論題、思考題： 做情景模擬訓練，以增強理解，加深印象。可以參考教材、資料包、或者其他案例。 課后小結(jié)： 本課程的任務是：　在了解測量基本原理的基礎上，能掌握各種傳感器是如何將非電量轉(zhuǎn)換為電量的，能分析相應的測量轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路及各種傳感器在工業(yè)中的應用電路，并通過實訓能正確使用傳感器。 本課程的學習方法是：　要理論聯(lián)系實際，舉一反三，富于聯(lián)想，善于借鑒，關心和觀察周圍的各種機械、電氣等設備，重視實驗和實訓，這樣才能學得活、學得好，才有利于提高今后解決實際問題的能力。 作業(yè)： 01．　簡述傳感器的重要性。 02．　描述檢測系統(tǒng)的組成，說出各部分的作用，并舉例說明。 03．　說出日常生活中見到的、用過的傳感器，它們檢測的各是什么非電量？ 04．　簡述檢測技術和傳感器的發(fā)展趨勢。 說明： 1.?每項頁面大小可自行添減，可按節(jié)或課設計填寫。 2.?課次為授課次序，填1、2、3……。 3.?授課方式主要包括填理論課、實驗課、討論課、習題課等。 4.?方法及手段如：舉例講解、多媒體講解、模型講解、實物講解、掛圖講解、音像講解等。 5.其他內(nèi)容要求結(jié)構(gòu)完整，邏輯清晰，具體詳細。 項目一 檢測技術與傳感器的認知 教學目的： 1. 能掌握檢測技術與傳感器的基本概念。 2. 能了解檢測技術與傳感器的作用、地位和發(fā)展方向。 3.能掌握傳感器的組成及各組成部分的作用。 4. 能掌握誤差的基本概念，熟悉幾種測量誤差的定義和表示。 5. 能區(qū)分各種測量誤差并進行處理。 6.能掌握傳感器的基本特性和傳感器的選用原則。 課 型：新授課 課 時： 3個任務，安排6個課時。 教學重點： 認識傳感器的定義、組成（非電量被測量、敏感元件非電量、轉(zhuǎn)換元件電參量、轉(zhuǎn)換電路電量輸出量）、傳感器的分類；誤差的概念以及測量方法、誤差的來源、誤差的表示法、誤差的分類以及處理；傳感器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性、以及如何選用傳感器，他的選擇原則。 教學難點： 傳感器組成（非電量被測量、敏感元件非電量、轉(zhuǎn)換元件電參量、轉(zhuǎn)換電路電量輸出量）、傳感器的各項分類；測量的基本方法、學會直接測量和間接測量、聯(lián)立測量、測量方法按測量分類有偏差法、零位法和微差法；測量誤差的概念，誤差的來源、測量誤差的表示法、測量誤差的分類以及誤差的處理。 教學過程： 1. 教學形式：講授課，教學組織采用課堂整體講授和分組演示。 2. 教學媒體：采用啟發(fā)式教學、案例教學等教學方法。教學手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術。 作業(yè)處理： 完成項目后的思考題。 板書設計： 本課標題 檢測技術與傳感器的認知 課次 2 授課方式 理論課□ 討論課□ 習題課□ 其他□ 課時安排 6 學分 共2分 授課對象 院系、專業(yè)： 任課教師 教學基本內(nèi)容 教學方法及教學手段 課堂導入 上節(jié)課學習了傳感器的基本構(gòu)成，那它是怎么工作的，具有怎樣的特性呢？ 參考以下形式： 1.銜接導入 2.懸念導入 3.情景導入 4.激疑導入 5.演示導入 6.實例導入 7.其他形式 基本知識匯總 任務一 傳感器的認知 （一） 傳感器的定義 根據(jù)國家標準（GB/T 7665—2005）《傳感器通用術語》，傳感器（transducer/sensor感覺）的定義為：“能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器通常由直接響應于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用的輸出信號的轉(zhuǎn)換元件以及相應的電子線路所組成?！边@一定義表述了傳感器的主要內(nèi)涵，包括了以下含義：　 ①　測量器件或裝置——完成信息的獲取任務。 ②　輸入量——感受規(guī)定的被測量。它可以是物理量、化學量、生物量等，但不能受其他量的影響。例如，溫度傳感器只能用來測溫，不能受其他物理量的影響。 ③　輸出量——可用的輸出信號，即某種便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示的信號。它可以是光、氣或電量等。 ④　輸入輸出間具有“一定規(guī)律”——輸入與輸出是對應關系，應具有一定的精確度。 由于電學量（電壓、電流、電阻等）便于測量、轉(zhuǎn)換、傳輸和處理，因此傳感器一般都是以電量輸出的，以至于可以簡單地說：　傳感器是一種以一定的精確度把非電量轉(zhuǎn)換為電量的器件或裝置。 （二） 傳感器的組成 傳感器從字面上理解，具有一感二傳的功能，即感受被測信息，再傳送出去，因此，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。但由于它的輸出信號較弱，因此需要由后續(xù)的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路進行放大或轉(zhuǎn)換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的信號。隨著半導體和集成電路技術的發(fā)展，傳感器的信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路往往直接安裝在傳感器的殼體里或與敏感元件、轉(zhuǎn)換元件一起集成在同一芯片內(nèi)，這樣，傳感器就由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路組成。 1、 敏感元件 敏感元件是直接感受被測量、并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。它是傳感器技術的核心，是設計和制作傳感器的關鍵。 2、 轉(zhuǎn)換元件 轉(zhuǎn)換元件是將敏感元件的輸出量轉(zhuǎn)換成電路參數(shù)量的元件。 3、 轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電路是將電參量轉(zhuǎn)換成可直接利用的電信號的電路 需要說明的是有些被測非電量可直接變換為電參量，這時傳感器中的敏感元件和轉(zhuǎn)換元件就合二為一了。 1．本課程是機電一體化、自動控制、電氣自動化、應用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學生能認識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差補償，理解各種測量轉(zhuǎn)換電路，了解傳感器的典型應用等知識，達到能正確使用常用傳感器的目的。 2．檢測技術的主要內(nèi)容包括了自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理。需要一定的測量理論、測量方法，相應的測量工具、裝置，以及對測量結(jié)果進行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術、誤差理論、測試計量技術、抗干擾技術以及電量間的互相轉(zhuǎn)換技術等。 3．本課程教學內(nèi)容的組織與安排：　由實例引入，按照“任務提出”“相關知識”“任務實施”“其他案例”“訓練一下”幾個部分遞進完成。采用任務引領的項目課程教學，將檢測技術與傳感器的技能和知識點融入項目的工作任務之中，在符合工作過程的基礎上，充分考慮了學習者的認知心理過程，將課程內(nèi)容劃分為九個項目，再具化為多個工作任務的教學內(nèi)容。從檢測的對象著手，選擇合適的傳感器，通過認識該類傳感器的外形、性能指標，再到測量原理的介紹，在掌握基本知識的基礎上，介紹相應的測量轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路，來完成該類檢測任務。再安排一個訓練，供學習者在實踐中掌握知識、提高技能。 （三）傳感器的分類 傳感器的種類繁多，即使同一種被測量也可以用不同類型的傳感器來測量，如位置檢測，可以用光電、磁電、電感、電容等多種傳感器進行測量；而一種傳感器又可測量多種物理量，如電容式傳感器可用來測位移、壓力、荷重、加速度等。因此，傳感器的分類方法很多，常用的分類方法有：　 1、按被測量分類 按被測量分類，即按照傳感器的輸入信號分類，它能夠很方便地表示傳感器的功能，便于用戶的使用?？梢苑譃闇囟?、壓力、位移、轉(zhuǎn)速、加速度、位置、濕度、氣體濃度、流量、流速等傳感器?！　　　? 2、 按傳感器的工作原理分類 按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、磁電式、光電式、壓電式、熱電式、霍爾式、超聲波、激光、光纖等傳感器。這種分類便于從原理上認識輸入與輸出之間的變換關系，有利于專業(yè)人員從原理、設計及應用上進行歸納性的分析與研究?！　　　　? 3、按能量關系分類 按能量關系分類，可分為能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型兩類 （1）能量轉(zhuǎn)換型又稱為發(fā)電型或有源傳感器。這種傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作，無需外加電源。如熱電偶、壓電片、光電池等傳感器。 （2）能量控制型又稱參量型或無源傳感器。這種傳感器要從外部獲得能量使其工作，需外加電源。如電阻式、電容式、電感式等傳感器。 4、 按信號轉(zhuǎn)換特征分類 按信號轉(zhuǎn)換特征分類，可分為結(jié)構(gòu)型和物性型兩類。 結(jié)構(gòu)型：　通過傳感器的結(jié)構(gòu)參量發(fā)生變化實現(xiàn)信號變換。如電容式傳感器根據(jù)兩極板的間距或面積發(fā)生變化從而使電容量改變。 物性型：　利用某些物質(zhì)的某些性質(zhì)隨被測參數(shù)變化來實現(xiàn)信號變換。如壓電傳感器是利用石英晶體的壓電效應實現(xiàn)測量的。 任務二 測量誤差的認知及處理 一 測量的概念及方法 （一）測量的概念 測量是人們認識和改造客觀世界的一種必不可少的重要手段。它是把被測未知量與同性質(zhì)標準量進行比較，確定被測量對標準量的倍數(shù)，并用數(shù)字表示這個倍數(shù)的過程。 測量的結(jié)果包括數(shù)值大小和測量單位兩個部分。數(shù)值的大小可以用數(shù)字表示，也可以用曲線或圖形表示，但都必須標明單位，否則測量結(jié)果沒有任何意義。 測量的步驟包括比較、示差、平衡和讀數(shù)四個步驟。以天平測量為例：　 ①　比較：　被測量和標準量（砝碼）分別放到天平兩邊秤盤上比較。 ②　示差：　觀察指針位置的變化值，即示差。 ③　平衡：　調(diào)整砝碼數(shù)值，使之平衡。 （二） 測量方法 測量方法是實現(xiàn)測量過程所采用的具體方法。 1、按測量手續(xù)分類 （1）　直接測量 直接測量是用精度較高的設備直接對被測量進行測量并得到測量結(jié)果。例如：　溫度計測溫、萬用表測電壓、卡尺測工件的長度等。 特點：直接測量過程中不需要進行任何運算，簡單而迅速，但是測量精度往往不容易達到很高。 （2）　間接測量 間接測量是在使用儀表進行測量時，首先對與被測量有函數(shù)關系的幾個量進行測量，將測量值代入函數(shù)關系式，經(jīng)過計算得到測量所需要的結(jié)果。 例如　①　測功率P=IU時，先分別測出I和U的值，再通過功率P=IU的函數(shù)關系計算得到功率P。 ②　測溫度時，物質(zhì)電阻率隨溫度而變化，因此可通過測物體的電阻值而得到溫度值。 特點：　手續(xù)較多，花費時間較長。通常用于不能直接測量或沒有直接測量的儀表的場合。 （3）　聯(lián)立測量 聯(lián)立測量是被測量與多個元素有關，必須經(jīng)過求解聯(lián)立方程組才能得到最后的結(jié)果。進行聯(lián)立測量時，一般要改變測試條件才能獲得一組聯(lián)立方程所需的數(shù)據(jù)。 特點：　手續(xù)復雜，花費時間長，僅適用于科學實驗或特殊場合 2、按測量方式分類 （1）　偏差法 偏差法是在測量過程中，用儀表指針的位移決定被測量的測量方法。 這種方法的儀表內(nèi)沒有標準量具，只有經(jīng)過標準量具校正過的標尺或刻度盤。例如：　用彈簧秤稱重量；用電壓表測量電壓。 特點：　測量過程簡單而迅速，但是測量結(jié)果的精度較低。 （2）　零位法 零位法是在測量過程中，用已知的標準量去平衡或抵消被測量的作用，并用指零儀表的零位指示測量系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，在測量系統(tǒng)達到平衡時，用已知的基準量決定被測未知量的測量方法。 這種方法的測量系統(tǒng)內(nèi)具有標準量具，測量誤差取決于標準量具的誤差。例如：　天平稱重。 特點：　可以獲得較高的測量精度，指零機構(gòu)越靈敏測量分辨率越高。這種測量過程比較復雜，只適合于測量靜態(tài)或緩變信號。 （3）　微差法 微差法是零位法和偏差法的組合。將被測的未知量與已知的標準量進行比較，并取得差值后, 再用偏差法測得此值。 特點：　反應快，測量精度較高。 二 測量誤差的認知 （一）　測量誤差的基本概念 1、 測量誤差 測量誤差是檢測結(jié)果與被測量的客觀真值之間的差值。 2、 真值 真值是在確定的時間、地點和狀態(tài)下，被測量表現(xiàn)出來的實際大小。真值是客觀存在的，又是未知的。 3、 標稱值 標稱值是計量或測量器具上標注的量值，如標準砝碼上標出的1kg。 4、 示值 示值是由測量儀器給出或提供的量值，也稱測量值。 5、 精確度（精度） 精確度是測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合，表示測量結(jié)果與真值的一致程度。 6、 重復性 重復性是在相同條件下，對同一被測量進行多次連續(xù)測量所得結(jié)果之間的一致性。 7、 誤差公理 誤差公理是指一切測量都具有誤差，誤差自始至終存在于所有科學實驗的過程之中。 （二）　測量誤差的來源 在測量過程中，誤差的來源主要有以下幾個方面：　 1、測量裝置誤差 測量裝置誤差包括傳感器和測量儀器儀表的誤差、標準件的誤差以及裝卡附件的誤差。傳感器和測量儀器儀表的誤差如設計、制造誤差；標準件的誤差如標準量塊、標準線紋尺、標準電池、標準電阻、標準砝碼等所體現(xiàn)量值的誤差；裝卡附件的誤差如裝卡定位等造成的誤差 2、 測量方法誤差 測量方法不完善或測量所依據(jù)的理論公式本身的近似性引起的誤差。 3、環(huán)境誤差 各種環(huán)境因素與規(guī)定的標準狀態(tài)不一致而引起的測量裝置和被測量本身的變化所造成的誤差。如溫度、濕度、氣壓、振動、照明、電磁場等所引起的誤差。 4、人員誤差 測量人員因技術能力、工作疲勞、固有習慣等因素引起的誤差。它的大小取決于測量人員的操作技能和其他主觀因素。 （三）　測量誤差的表示法 1 絕對誤差 絕對誤差Δx是指被測量的指示值ｘ與真值x0之間的差值。 絕對誤差Δx=指示值x－真值x0（11） 由于真值是未知的，實際應用時用標準表的測量值代替真值，稱為實際值x0。 絕對誤差Δx=指示值x－實際值x0（１2） 絕對誤差是一個有符號、大小、量綱的物理量。 絕對誤差可用來評價相同被測量的測量精度，絕對誤差越小，指示值越接近真值，測量精度越高。但這一結(jié)論不適用于不同值的測量精度。 三 測量誤差的分類 （一）　按測量誤差出現(xiàn)的規(guī)律分類 測量誤差按其產(chǎn)生的原因、出現(xiàn)的規(guī)律及其對測量結(jié)果的影響，可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差三類。 1、系統(tǒng)誤差 在相同的條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或在條件改變時，遵循一定規(guī)律變化的誤差。 系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因是由測量儀器、量具本身制造、安裝、調(diào)整或者是使用方法不當造成的。 系統(tǒng)誤差表明測量結(jié)果的準確度，即儀表指示值有規(guī)律地偏離真值的程度。系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果準確度越高。 2、 隨機誤差 在相同的條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號均無規(guī)律變化的誤差。 隨機誤差的產(chǎn)生原因是由周圍環(huán)境的隨機因素引起的。 隨機誤差的大小表明測量結(jié)果重復一致的程度，即分散性，通常用精密度表示。隨機誤差越大，測量結(jié)果越分散，精密度就越低。 測量的精密度和準確度的綜合反映，可用精確度（簡稱精度）來表示。 3、 粗大誤差 粗大誤差是明顯歪曲測量結(jié)果的誤差。 粗大誤差的產(chǎn)生原因是由于外界重大干擾、儀器儀表故障或人為因素等造成的。 含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值，應剔除。 （二）　按被測量與時間的關系分類 測量誤差按被測量與時間的關系可分為靜態(tài)誤差與動態(tài)誤差兩大類。 1、 靜態(tài)誤差 靜態(tài)誤差是在被測量不隨時間變化時測得的測量誤差。 2、 動態(tài)誤差 動態(tài)誤差是在被測量隨時間變化過程中進行測量時所產(chǎn)生的附加誤差。它的大小為動態(tài)中測量和靜態(tài)中測量所得誤差值的差值。 四 測量誤差的分類 測量誤差的處理 （一）　系統(tǒng)誤差的處理 系統(tǒng)誤差的特點是其出現(xiàn)的有規(guī)律性，因此對系統(tǒng)誤差的處理可通過理論分析和實驗方法來確定，采用修正值或補償矯正的方法進行消除或減小。 1、測量前采用的方法 ①　從產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的來源上考慮，設法消除或盡量減小其影響。例如，發(fā)現(xiàn)測量值中系統(tǒng)誤差的來源是傳感器的零位誤差，則可采取相應措施調(diào)整零位。 ②　采用修正方法來消除。在測量前，送計量部門鑒定或通過標準的儀器設備比對，得到修正值。在測量中，只要在測量值中加入修正值，就可以消除或減小系統(tǒng)誤差。 2、測量中采用的方法 （1）　交換法 在測量中將引起系統(tǒng)誤差的某些條件相互交換，而保持其他條件不變，使引起系統(tǒng)誤差的因素對測量結(jié)果起相反的作用，從而抵消系統(tǒng)誤差。 （2）　抵消法 改變測量中的某些條件，使得前后兩次測量結(jié)果的誤差相反，取其平均值以消除系統(tǒng)誤差。 （3）　替代法 在測量條件不變的情況下，用已知量替換被測量，達到消除系統(tǒng)誤差的目的。 （4）　對稱測量法 對稱測量法用于消除線性變化的系統(tǒng)誤差。事實上，很多隨時間變化的系統(tǒng)誤差，在短時間內(nèi)均可看成線性變化的。復雜變化的系統(tǒng)誤差，短時間內(nèi)也可近似作為線性系統(tǒng)誤差。因此，一切精密實驗均可采用對稱測量法。 t1時：　a=T+ε1t2時：　x=T+ε2+δ t3時：　x′=T+ε3+δt4時：　a′=T+ε4 由于t2-t1=t4-t3 ，則有ε2-ε1=ε4-ε3 ， 得到δ=x+x′2-a′+a2 所以誤差測量值不受線性變化的系統(tǒng)誤差ε的影響。 （5）　補償法 在系統(tǒng)中采取補償措施，自動消除系統(tǒng)誤差。 例如：　用熱電偶測溫時，冷端溫度的變化會引起系統(tǒng)誤差。在系統(tǒng)中采用補償電橋，就可以自動消除誤差。 （二）　隨機誤差的處理 存在隨機誤差的測量結(jié)果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機的，但就誤差的整體而言是服從一定的統(tǒng)計規(guī)律的。因此通過增加測量次數(shù)，利用概率論的一些理論和統(tǒng)計學的一些方法，可以掌握看似毫無規(guī)律的隨機誤差的分布特性，并進行測量結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。 （三）　粗大誤差的處理 在測量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有異常數(shù)據(jù)時，一般從以下兩方面來考慮：　 1、定性分析 對測量設備、測量條件、測量步驟進行分析，看是否存在問題而引起出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。這種判斷無嚴格規(guī)則，屬于定性判斷。 2、定量判斷 用概率統(tǒng)計和誤差理論知識建立的粗大誤差判斷準則為依據(jù)，進行定量判斷，以確定該異常值是否應剔除。在工程上常用拉依達準則（3σ準則）來判斷粗大誤差。 拉依達準則是依據(jù)對于服從正態(tài)分布的等精度測量，其某次測量值與真值的誤差大于3σ的可能性僅為0．27％，因此將測量誤差大于3σ的測量值作為壞值予以剔除。實際應用中，用算術平均值替代真值，則拉依達準則表達式為：　 Δxk=xk-x->3σ（１12） 此時測量值xk為壞值，應予剔除。 任務三 傳感器的特性及選用認知 一、傳感器的特性 傳感器的特性主要是指輸入與輸出的關系，包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩類。 （一）　靜態(tài)特性 定義：　當被測量不隨時間變化或變化緩慢時，認為傳感器與檢測系統(tǒng)的輸入量和輸出量都與時間無關。這樣確定的檢測裝置的性能參數(shù)稱為靜態(tài)特性。靜態(tài)特性主要由以下性能指標來描述。 1、 線性度 線性度又稱非線性度或非線性誤差，是指實際輸入輸出特性曲線與擬合直線（理想直線）之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出值的百分比， 2、遲滯性 遲滯性又稱回差或滯后，表示傳感器與檢測系統(tǒng)在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨休斎胼敵鎏匦郧€之間最大差值與傳感器滿量程輸出值的百分比， 3、重復性 重復性是指輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次測試時，所得特性曲線最大不重復誤差與傳感器滿量程范圍值的百分比 4、 靈敏度 靈敏度是指傳感器與檢測系統(tǒng)對被測量變化的反應能力。當輸入量x有一個變化量Δx時，引起輸出量y有相應的變化量Δy，則輸入變化量與輸出變化量之比稱為靈敏度。 （二）　動態(tài)特性 動態(tài)特性是指傳感器與檢測系統(tǒng)的被測量隨時間變化很快時，輸出對輸入的響應特性。其通常是用實驗方法求得的。 二 傳感器的選用認知 （一）　傳感器的選擇要求 由于傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用。如何合理選用傳感器，是應用時首先要解決的問題。一般傳感器的選擇應根據(jù)測量對象與測量環(huán)境，從測試條件與目的、傳感器的性能指標、傳感器的使用條件、數(shù)據(jù)采集和輔助設備配套情況，以及價格、備件和售后服務等多種因素綜合考慮。 （二）　傳感器的選用原則 在現(xiàn)代社會，傳感器得到了廣泛應用。各類傳感器性能技術指標很多，如果要求一個傳感器具有全面良好的性能指標，不僅可能給設計、制造帶來困難，而且在實際應用中也沒有必要。因此應根據(jù)實際需要與可能，在確保主要指標實現(xiàn)的基礎上，放寬對次要指標的要求，以達到高的性能價格比。 傳感器選用總的原則是：　在滿足檢測系統(tǒng)對傳感器所有要求的情況下，價格低廉、工作可靠、容易維修。 在具體選用傳感器時，可按下列步驟進行：　 ①　借助傳感器分類表，按被測量的性質(zhì)，從典型應用中初步確定幾種可供選用的傳感器的類別。 ②　借助常用傳感器比較表，按被測量的范圍、精度要求、環(huán)境要求等確定傳感器類別。 ③　借助傳感器的產(chǎn)品目錄、選型樣本，最后查出傳感器的規(guī)格、型號、性能和尺寸。 以上步驟僅供廣大讀者對一般常用傳感器選擇時參考。 討論題、思考題： 圍繞本項目主題做情景模擬訓練，以增強理解，加深印象。可以參考教材、資料包、或者其他案例。 課后小結(jié)： 本項目著重討論的是傳感器的定義、分類組成。 測量誤差的方法、定義、分類和誤差來源和誤差的處理。 傳感器的各項特性和選用原則。 作業(yè)： 1. 什么是傳感器？ 2．　傳感器由哪幾部分組成？各部分的作用是什么？ 3．　描述測量的步驟和結(jié)果。聯(lián)系實際舉例說明。 4．　直接測量有幾種方法？它們各自的定義是什么？ 5．　描述誤差的分類及處理的方法。舉出誤差的實例并說明如何消除的。 6．　傳感器有哪些基本特性？它們有何實際意義？ 7．　一線性位移測量儀，當被測位移由5mm變?yōu)?mm時，輸出電壓由3V變?yōu)?．5V，求儀器的靈敏度。 8．　有一溫度計，它的測溫范圍為0～100℃，精度為0．5級，求： （1）　該表可能出現(xiàn)的最大絕對誤差。 （2）　當示值分別為20℃、80℃時的示值相對誤差。 9． 有三臺測溫儀表，量程均為0～600℃，精度等級分別為1．0級、10．5級和2．5級，要測量500℃的溫度，要求相對誤差不超過2．5％，選用哪臺儀表合適？ 10． 欲測240V左右的電壓，要求測量示值相對誤差的絕對值不大于0．6％。問：　若選用量程為250V的電壓表，其精度應選擇哪一級？若選用量程為300V和500V的電壓表，其精度應分別選哪一級? 11． 簡述傳感器的技術指標和選用原則。 說明： 1.?每項頁面大小可自行添減，可按節(jié)或課設計填寫。 2.?課次為授課次序，填1、2、3……。 3.?授課方式主要包括填理論課、實驗課、討論課、習題課等。 4.?方法及手段如：舉例講解、多媒體講解、模型講解、實物講解、掛圖講解、音像講解等。 5.其他內(nèi)容要求結(jié)構(gòu)完整，邏輯清晰，具體詳細。 項目二 速度檢測 教學目的： 1、能認識、了解檢測速度的傳感器器件，了解它們的特點和性能。 2、 能理解電渦流傳感器的工作原理、測量電路及應用電路。 3、能掌握霍爾傳感器的工作原理和應用。 4、了解磁電式傳感器的工作原理和它的特點。 5、 能理解變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理和應用。 6、掌握光電效應的三種類型和常用光電傳感器的工作原理。 7、 掌握光電傳感器的組成及理解光電傳感器的應用電路。 課 型：新授課 課 時： 4個任務，安排8個課時。 教學重點： 認識電渦流傳感器的外形與結(jié)構(gòu)，性能指標和各項參數(shù)?；魻杺鞲衅鞯耐庑闻c結(jié)構(gòu)及其工作原理是基于霍爾效應；磁電式傳感器的工作原理。 教學難點： 電渦流傳感器的性能指標和各項參數(shù)?；魻杺鞲衅鞯墓ぷ髟硎腔诨魻栃?，霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓大小的決定因素，霍爾元件，霍爾傳感器的測量電路及補償；磁電式傳感器的工作原理；光電傳感器的組成及測量方法。 教學過程： 1. 教學形式：講授課，教學組織采用課堂整體講授和分組演示。 2. 教學媒體：采用啟發(fā)式教學、案例教學等教學方法。教學手段采用多媒體課件、視頻等媒體技術。 作業(yè)處理： 完成項目后的思考題。 板書設計： 本課標題 檢測技術與傳感器的認知 課次 4 授課方式 理論課□ 討論課□ 習題課□ 其他□ 課時安排 8 學分 共2分 授課對象 院系、專業(yè)： 任課教師 教學基本內(nèi)容 教學方法及教學手段 課堂導入 在各種車輛的運轉(zhuǎn)、機械設備的運行中，都需要對旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速進行測量，轉(zhuǎn)速一般以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)來表達，單位為r/min。測量速度的方法很多，通常有霍爾傳感器測速、電渦流測速、磁電感應測速、光電測速、光電編碼器數(shù)字測速和測速發(fā)電機模擬測速等。 參考以下形式： 1.銜接導入 2.懸念導入 3.情景導入 4.激疑導入 5.演示導入 6.實例導入 7.其他形式 基本知識匯總 任務一 電渦流傳感器用于轉(zhuǎn)速檢測 機械設備的運行中，有大量涉及轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速測量。當被測對象是導電良好的金屬物體時，一般可選用電渦流傳感器進行測速。 電渦流傳感器是利用電渦流效應制成的一種傳感器。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、 靈敏度高、頻率響應寬、抗干擾能力強、價格較低、不受油污等介質(zhì)的影響、無接觸測量等優(yōu)點。它不僅廣泛用于測量轉(zhuǎn)速，而且也應用于測量位移、厚度、應力、材料損傷等場合。 基于法拉第電磁感應原理，將塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內(nèi)會產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流，該電流稱為電渦流。電渦流的產(chǎn)生必然要消耗一部分能量，使產(chǎn)生磁場的線圈阻抗發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為電渦流效應。電渦流式傳感器就是利用電渦流效應，將非電量轉(zhuǎn)換成阻抗的變化而進行測量的一種傳感器。 電渦流式傳感器分為高頻反射式和低頻透射式兩類。 （一）　電渦流傳感器的外形 各種電渦流傳感器的外形如圖22所示。 （二）　電渦流式傳感器的結(jié)構(gòu) 電渦流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖23所示。 1—電渦流線圈； 2—殼體； 3—殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋； 4—印制線路板； 5—夾持螺母； 6—電源指示； 7—閾值指示燈； 8—輸出屏蔽電纜線； 9—電纜插頭 1．本課程是機電一體化、自動控制、電氣自動化、應用電子等專業(yè)的一門專業(yè)課程。要求學生能認識常用傳感器，掌握其工作原理、輸出特性、誤差補償，理解各種測量轉(zhuǎn)換電路，了解傳感器的典型應用等知識，達到能正確使用常用傳感器的目的。 2．檢測技術的主要內(nèi)容包括了自動檢測系統(tǒng)中的信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理。需要一定的測量理論、測量方法，相應的測量工具、裝置，以及對測量結(jié)果進行正確的處理分析。它涵蓋了傳感器技術、誤差理論、測試計量技術、抗干擾技術以及電量間的互相轉(zhuǎn)換技術等。 3．本課程教學內(nèi)容的組織與安排：　由實例引入，按照“任務提出”“相關知識”“任務實施”“其他案例”“訓練一下”幾個部分遞進完成。采用任務引領的項目課程教學，將檢測技術與傳感器的技能和知識點融入項目的工作任務之中，在符合工作過程的基礎上，充分考慮了學習者的認知心理過程，將課程內(nèi)容劃分為九個項目，再具化為多個工作任務的教學內(nèi)容。從檢測的對象著手，選擇合適的傳感器，通過認識該類傳感器的外形、性能指標，再到測量原理的介紹，在掌握基本知識的基礎上，介紹相應的測量轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路，來完成該類檢測任務。再安排一個訓練，供學習者在實踐中掌握知識、提高技能。 （三） V系列電渦流傳感器性能指標 ①　線性距離：　2~10mm。 ②　精度：　1．0%。 ③　響應時間：　5ms。 ④　工作電壓：　15~30V DC。 ⑤　輸出電壓：　0．1V DC。 ⑥　輸出電流：　≤5mA。 ⑦　靜態(tài)功耗：　≤0．8W。 ⑧　環(huán)境溫度、濕度：?。?5～75℃、95%RH（25℃時）。 ⑨　使用壽命：　≥10000h。 二 電渦流傳感器的工作原理 在金屬導體上方放置一個線圈L，當線圈中通以電流I1·時，線圈的周圍空間就產(chǎn)生了交變磁場H1，在金屬導體內(nèi)就會產(chǎn)生電渦流I2·，由I2產(chǎn)生反向電磁場H2，由于H2與H1方向相反，H2抵消了部分原磁場H1，使導電線圈的阻抗發(fā)生了變化。線圈阻抗Z的變化程度取決于線圈L的外形尺寸、線圈L至金屬板之間的距離、金屬板材料的電阻率和磁導率以及激勵源的頻率等參數(shù)。 當改變其中一個參量，而保持其余參數(shù)為常數(shù)時，則線圈阻抗Z就成為此參數(shù)的單值函數(shù)。如保持其他參數(shù)不變，僅改變線圈與金屬導體之間的距離，則此時線圈阻抗Z的變化量就反映了線圈與導體間距離的變化量。 若改變激勵源頻率f，可控制檢測深度，頻率越高，電渦流的滲透深度越淺。因此，一般用高頻激勵源施加在線圈上，通過反射來檢測與被測金屬體的間距；用低頻激勵源施加在線圈上，通過透射來檢測被測金屬體的厚度。 三 高頻反射式電渦流傳感器 在線圈前面放一塊金屬導體，電渦流傳感器的線圈與被測金屬導體間是非接觸磁性耦合。當高頻電流施加在電感線圈上時，線圈產(chǎn)生的高頻磁場作用于被測金屬導體表面，形成電渦流，電渦流產(chǎn)生的磁場又反作用于線圈，從而改變了線圈的阻抗。線圈阻抗由線圈與金屬導體的距離決定。通過測量線圈阻抗的變化就可確定電渦流傳感器探頭與金屬板之間的距離。被測物的電導率越高，傳感器的靈敏度越高。 四 低頻透射式電渦流傳感器 低頻透射式電渦流傳感器采用低頻激勵，貫穿深度 五 電渦流傳感器的測量電路 電渦流傳感器的探頭是一個電感線圈，改變它與被測金屬板的間距，就改變了電感線圈的阻抗大小，阻抗的變化還要通過后續(xù)的測量電路轉(zhuǎn)換為容易測量的電壓的變化。常用的測量電路有以下三種：　 （一）　電橋測量電路 （二）　定頻調(diào)幅測量電路 （三）　調(diào)頻式測量電路 五 電渦流傳感器的測量電路 六 實驗 用電渦流傳感器檢測位移 （一）　實驗目的 了解電渦流傳感器測量位移的工作原理和特性。 （二）　需用器件與單元 ①　CSY—2000傳感器與檢測技術實驗臺。（＋15V電源，數(shù)顯電壓表） ②　電渦流傳感器實驗板。 ③　電渦流傳感器。 ④　測微頭。 ⑤　鐵圓片。 （三）　實驗原理 探頭線圈通入高頻電流，產(chǎn)生磁場，當有被測導體接近時，導體內(nèi)的渦流效應產(chǎn)生渦流損耗，而渦流效應的強弱與該導體與線圈的距離有關，因此通過檢測渦流效應的強弱即可以進行位移測量。 四）　實驗步驟 ①　根據(jù)圖217所示安裝電渦流傳感器。 ②　根據(jù)圖218所示進行實驗連線：　 ②　根據(jù)圖218所示進行實驗連線：　 （a） 將＋15V電源接入模板。 （b） 將模板輸出電壓V0接到數(shù)顯電壓表上。 （c） 將模板上高頻電流接入電渦流線圈中。 ③　打開主控臺電源。 ④　使測微頭與傳感器線圈頂部接觸，記錄數(shù)顯表的示數(shù)，然后每隔0．5mm讀一個數(shù)，記入表21，直到輸出幾乎不變?yōu)橹埂? 表21電渦流傳感器位移x與輸出電壓U的實驗數(shù)據(jù) x/mm U/V （五）　實驗數(shù)據(jù)分析 ①　根據(jù)表21數(shù)據(jù)，畫出Ux曲線。 ②　計算量程為1mm、3mm和5mm時的靈敏度和線性度。 ③　由實驗結(jié)果分析電渦流傳感器是如何測量軸的振動和偏心的。 （六）　被測體材質(zhì)對電渦流傳感器特性的影響 ①　將上述被測體鐵圓片分別換成銅圓片和鋁圓片，重復實驗過程，實驗數(shù)據(jù)分別記入表22和表23。 任務二 汽車行車速度檢測 一 霍爾傳感器的外形結(jié)構(gòu)和性能 （一）　霍爾傳感器的外形 （a） 霍爾元件（b） 霍爾接近開關（c） 霍爾電流傳感器 （二）　霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號 a 霍爾片 從矩形薄片半導體基片上的兩個相互垂直方向側(cè)面上，引出一對電極，其中1、2兩電極用于控制電流，稱控制電極。另一對3、4電極用于引出霍爾電勢，稱輸出電極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。 b 霍爾元件的外形 c 霍爾元件符號 （三）　霍爾接近開關介紹 1、特點 霍爾接近開關具有響應頻率高，重復定位精度高，抗干擾能力強，多種保護功能，有工作狀態(tài)指示燈，可以和控制器（PC）直接接口，可靠性高和使用壽命長等特點。 2、 技術參數(shù) 二 霍爾傳感器的工作原理 （一）　霍爾效應 霍爾傳感器的工作原理是基于霍爾效應。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應。 所謂霍爾效應是置于磁場中的導體或半導體中流過電流時，若是沒有磁場的影響，則正電荷載流子能平穩(wěn)地流過，此時輸出端（從載流導體上平行于電流和磁場方向的兩個面引出）的電壓為零。當加入一個與電流方向垂直的磁場時（圖223），電荷載流子會由于洛倫茲力的作用而偏向一邊，在輸出端產(chǎn)生電壓，即霍爾電壓。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應。 （二）　霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓大小的決定因素 由于UH=KHIB，所以霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電壓主要由三個方面的因素決定：　 ①　與電源提供的電流的大小有關。 ②　與霍爾元件所處磁場的強度有關。 ③　與霍爾元件的物理尺寸有關。霍爾電壓是和元件厚度d成反比的，因此霍爾元件一般制作得較薄。 （三）霍爾元件 由于霍爾元件的靈敏度與材料的電阻率和電子遷移率（在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值）成正比。若要霍爾效應強，制造霍爾元件材料的電阻率和電子遷移率要大。 對于金屬導體，電子遷移率大，但電阻率很??；而絕緣材料電阻率極高，但電子遷移率極小。兩者都不適宜制作霍爾元件。只有半導體材料的電阻率和電子遷移率適中，且N型半導體的電子遷移率大于P型半導體的電子遷移率，因此一般用N型半導體制作霍爾元件。 制作霍爾元件常用的材料有N型鍺、銻化銦、砷化銦、砷化鎵及磷砷化銦等。銻化銦產(chǎn)生的霍爾電勢較大，但溫度影響大；鍺及砷化銦受溫度影響小，線性好，但霍爾電勢小；砷化鎵溫度特性好，但價格貴；磷砷化銦的溫度特性最好。 三 霍爾傳感器的測量電路及補償 （一）　霍爾傳感器的測量電路 （二）　溫度誤差及補償 由于霍爾元件的基片是半導體材料，因而對溫度的變化很敏感。為了減小霍爾元件的溫度誤差，可采?。骸? ①　選用溫度系數(shù)小的元件。 ②　采用恒溫措施。 ③　采用恒流源供電。 （三）　零位特性及補償 1 零位特性 零位特性是在無外加磁場或無控制電流的情況下，元件產(chǎn)生輸出電壓的特性。 2 零位誤差 零位誤差是零位特性產(chǎn)生的誤差。 3 不等位電壓 不等位電壓是霍爾元件的激勵電流為額定電流IN而磁感應強度為零時，所測到的空載霍爾電壓UO。 4 不等位電阻 不等位電阻R0：　R0=UO/IN。 不等位電壓產(chǎn)生的主要原因：　霍爾電極安裝時不在同一個電位面上，兩者之間存在不等位電阻，如圖225所示。 補償方法：　利用橋路平衡的原理來補償， 四 實驗 直流激勵時用霍爾傳感器檢測位移 （一）　實驗目的 了解霍爾式位移傳感器的原理與應用。 （二）　基本原理 根據(jù)霍爾效應，霍爾電勢UH=KHIB，保持KH、I不變，若霍爾元件在梯度磁場B中運動，且B是線性均勻變化的，則霍爾電勢UH也將線性均勻變化，這樣就可以進行位移測量。 （三）　需用器件與單元 霍爾傳感器實驗模板，線性霍爾位移傳感器，±4V、±15V直流電源，測微頭，數(shù)顯單元。 （四）　實驗步驟 ①　按圖236所示安裝霍爾傳感器，霍爾傳感器與實驗模板之間按圖237所示進行連接。1、3為電源±4V輸入，2、4為霍爾電壓輸出，R1與4之間的連線可暫時不接。 ②　開啟電源，接入±15V電源，將測微頭旋至10mm處，左右移動測微頭使霍爾片處在磁鋼中間位置，此時數(shù)顯表電壓絕對值為最小，擰緊測量架頂部的固定鏍釘，接入R1與4之間的連線，調(diào)節(jié)RW2使數(shù)顯電壓表指示為零（數(shù)顯表置于2V擋）。 ③　旋轉(zhuǎn)測微頭，每轉(zhuǎn)動1mm或2mm記下數(shù)字電壓表的示數(shù)，并將讀數(shù)填入表24。將測微頭回到10mm處，反向旋轉(zhuǎn)測微頭，重復實驗過程，填入表24。 （五）　實驗分析 作出Ux曲線，計算不同線性范圍時的靈敏度S和非線性誤差δ。 任務三 磁電式傳感器用于轉(zhuǎn)速檢測 一 磁電式傳感器的工作原理 當線圈旋轉(zhuǎn)切割磁力線時，線圈兩端的感應電勢：　 e=NBAdθdtsinθ=NBAωsinθ（213） 式中，θ為線圈平面的法線方向與磁場方向的夾角；A為線圈截面積；ω為旋轉(zhuǎn)運動角速度。 當θ=90°時：　e=NBAω（214） 結(jié)論：　當N、B、A、l為定值時，感應電動勢e與線圈和磁場的相對運動速度v（或ω）成正比。 磁電式傳感器的工作原理是基于法拉第電磁感應原理。當匝數(shù)為N的線圈在磁場中運動而切割磁力線，或通過閉合線圈的磁通量Φ發(fā)生變化時，線圈中將產(chǎn)生感應電勢e，即：　e=-NdΦdt（29） 感應電勢的大小取決于線圈匝數(shù)N和通過線圈的磁通變化率。而磁通的變化與磁場強度、磁路磁阻、線圈與磁場相對運動等因素有關，改變其中任何一個因素都會改變線圈中的感應電勢。 （一）　線圈直線運動切割磁力線 當線圈在恒定均勻磁場中做直線運動并且切割磁力線時，會產(chǎn)生感應電勢。若線圈運動方向與磁場方向如圖238所示，B與v的夾角為θ，則線圈的磁通： Φ=BS=Blxsinθ（210） 線圈兩端的感應電勢：　 e=NBldxdtsinθ=NBlvsinθ（211） 式中，N為線圈的匝數(shù)；v為線圈與磁場相對運動的速度。當θ=90°時：　e=NBlv（212） （二）　線圈旋轉(zhuǎn)切割磁力線 當線圈旋轉(zhuǎn)切割磁力線時，線圈兩端的感應電勢：　 e=NBAdθdtsinθ=NBAωsinθ（213） 式中，θ為線圈平面的法線方向與磁場方向的夾角；A為線圈截面積；ω為旋轉(zhuǎn)運動角速度。 當θ=90°時：　e=NBAω（214） 結(jié)論：　當N、B、A、l為定值時，感應電動勢e與線圈和磁場的相對運動速度v（或ω）成正比。 二 變磁通式磁電傳感器 變磁通式磁電傳感器中產(chǎn)生磁場的永久磁鐵和線圈都固定不動，通過磁通Φ的變化產(chǎn)生感應電動勢e。它要求被測物體或與被測物體連接部分用導磁材料制成，當被測物體運動時，磁路的磁阻發(fā)生變化，使穿過線圈的磁通量變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應電勢，所以變磁通式磁電傳感器又稱變磁阻式，常用于角速度的測量。 三 恒磁通式磁電傳感器 在這類磁電式傳感器中，工作氣隙中的磁通保持不變，線圈相對永久磁鐵運動，并切割磁力線而產(chǎn)生感應電勢。 任務四 光電傳感器用于轉(zhuǎn)速檢測 光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器，可用于檢測直接引起光強度變化的非電量，也可用來檢測能轉(zhuǎn)換為光量變化的其他非電量。 光電傳感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、非接觸、響應快和結(jié)構(gòu)簡單等特點。 一 光電傳感器的工作原理 光照射在物體表面上可看成是物體受到一連串具有一定能量的光子轟擊，于是物體中的電子吸收了光子的能量，導致物體的電學性質(zhì)發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象稱為光電效應。光電傳感器的工作原理就是基于光電效應。通常把光電效應分為三類：　 1、外光電效應 2、 內(nèi)光電效應 3、 半導體光生伏特效應 二 光電傳感器的工作原理 光電器件 （一）　光電管 1、 光電管的外形 2、光電管的結(jié)構(gòu) 光電管由一個涂有光電材料的陰極和一個陽極構(gòu)成，并密封在一支真空玻璃管內(nèi)，如圖246所示。光電管的陰極接受光照射，它決定器件的光電特性。陽極由金屬絲做成，用于收集電子。 3、 光電管的工作原理 當陰極受到適當波長的光線照射時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有了電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。電流的大小與入射光的強度成正比。 根據(jù)能量守恒定律：　光子能量=電子逸出功+電子動能 E=hγ=A+12mv2（218） 式中，γ為光波頻率；h為普朗克常量，h=6．63×10-34 Js；A為電子逸出功；m為電子質(zhì)量；v為電子逸出的初速度。 （二）　光電倍增管 在入射光極為微弱時，光電管能產(chǎn)生的光電流是很小的。而光電倍增管是在光電管的陽極和陰極之間增加若干個（11～14個）倍增極（二次發(fā)射體），來放大光電流， （三）　光敏電阻 光敏電阻是采用半導體材料制成的利用內(nèi)光電效應（光電導效應）工作的光電器件，又稱光導管。光敏電阻在光線的作用下，其電導率增大，電阻值變小。 （四）　光敏二極管和光敏三極管 （五）　光電池 三 光電傳感器的組成及測量方法 光電傳感器通常由光源、光學通路和光電元件三部分組成，如圖257所示。Φ1是光源發(fā)出的信號，Φ2是光電元件接受的光信號，被測量是X1或X2，它們分別使光源本身或光學通路變化，從而使傳感器輸出的電信號Ｉ變化。 討論題、思考題： 圍繞本項目主題做情景模擬訓練，以增強理解，加深印象?？梢詤⒖冀滩?、資料包、或者其他案例。 課后小結(jié)： 1、能認識、了解檢測速度的傳感器器件，了解它們的特點和性能。 2、 能理解電渦流傳感器的工作原理、測量電路及應用電路。 3、能掌握霍爾傳感器的工作原理和應用。 4、了解磁電式傳感器的工作原理和它的特點。 5、 能理解變磁通式和恒磁通式磁電傳感器的工作原理和應用。 6、掌握光電效應的三種類型和常用光電傳感器的工作原理。 7、 掌握光電傳感器的組成及理解光電傳感器的應用電路。 作業(yè)： 1. 什么是電渦流？什么是電渦流效應？ 2． 　簡述電渦流傳感器的工作原理。 3．　被測材料的磁導率不同，對電渦流傳感器檢測有什么影響？說明理由。 4．　什么是霍爾效應？ 5．　霍爾元件由什么材料制作？為什么要用這種材料？ 6．　霍爾靈敏度與霍爾元件的厚度之間有什么關系？ 7．　簡述霍爾傳感器測量位移的原理。 8．　分析霍爾鉗形電流表的工作原理。 9．　描述一個使用霍爾傳感器的檢測系統(tǒng)，并分析其工作原理。 10．　磁電式傳感器的工作原理是什么？ 11．　簡述磁電式傳感器兩種類型的區(qū)別。 12．　簡述磁電式傳感器測量扭矩的工作原理。 13．　描述光電效應的三種類型和它們的區(qū)別。 14．　簡述常用光電傳感器的工作原理。 說明： 1.?每項頁面大小可自行添減，可按節(jié)或課設計填寫。 2.?課次為授課次序，填1、2、3……。 3.?授課方式主要包括填理論課、實驗課、討論課、習題課等。 4.?方法及手段如：舉例講解、多媒體講解、模型講解、實物講解、掛圖講解、音像講解等。 5.其他內(nèi)容要求結(jié)構(gòu)完整，邏輯清晰，具體詳細。